纤维铺层角度对复合材料薄壁圆管轴向压溃吸能特性影响研究

研究T700/3234复合材料薄壁圆管轴向压溃吸能特性受纤维铺层角度变化的影响规律。开展复合材料力学性能试验和薄壁圆管轴向准静态压溃试验。通过对比圆管轴向压溃峰值载荷及比吸能等指标的试验结果,验证建立的复合材料圆管有限元模型和分析方法。基于验证的有限元分析方法,探讨了复合材料纤维铺层角度的变化对薄壁圆管轴向压溃吸能特性的影响规律。结果表明,在准静态轴向压缩载荷下,随着纤维铺层角度的增大,比吸能先增大后减小;纤维角度为±45°时,初始峰值载荷最低,载荷效率最高,圆管易于进入渐进破坏吸能阶段。研究结果可为复合材料纤维铺层角度设计及复合材料薄壁结构有限元建模提供参考。     

含随机不确定参数复合材料薄壁结构吸能特性评估方法研究

针对复合材料力学性能分散度大、加工精度低,导致复合材料薄壁吸能因素不确定等,提出含随机不确定参数复合材料薄壁结构吸能特性评估方法。考虑材料力学性能及结构特征尺寸的不确定性,评估准静态压溃条件下薄壁圆管峰值载荷及比吸能指标。据试样级材料性能实验确定各参数分布特征;用Plackett-Burman方法选实验点,采用显式求解有限元方法分析选出对比吸能、峰值载荷影响显著的参数;建立影响显著参数及结构吸能特性指标间二阶响应面函数;据参数分布抽样计算获得吸能特性指标分布情况。结果显示,对复合材料薄壁圆管而言,纤维方向拉伸、压缩强度及圆管壁厚、基体压缩强度对其轴向压溃的比吸能及峰值载荷影响显著。     

含概率不确定性的复合材料吸能结构优化设计方法研究

由于复合材料力学性能分散度较大、加工精度较低,复合材料薄壁吸能结构具有难以忽略的不确定性。为此,建立了考虑参数不确定性的复合材料薄壁吸能结构优化设计方法,旨在设计阶段识别参数的不确定性,并设计出具有最优吸能特性的薄壁吸能结构;首先,根据使用条件获取设计参数的范围,并利用中心组合实验设计确定设计参数的试验矩阵;然后,计算试验矩阵中每组设计参数吸能特性指标的平均值和标准差;接下来,分别确定不同复合材料薄壁结构设计参数组合与吸能特性指标的均值及标准差之间的响应面方程;最后,结合响应面方程和设计要求将其代入到优化后的数学表达式中,采用序列二次规划算法进行优化求解。以T700/3234复合材料薄壁圆管为研究对象,在规定特征尺寸范围内,分别对规定峰值载荷求比吸能最大,以及对规定峰值载荷求比吸能标准差最小问题,进行了优化求解,验证了所提方法的实用性。     

LET柔性铰链的等效刚度分析及其参数优化

分析了表示LET柔性铰链转动能力的扭转等效刚度,为确保铰链的转动精度提出了拉压等效刚度的概念并推导出其计算公式。以LET柔性铰链的结构参数为设计变量,提高转动能力和转动精度为目标,建立了铰链的优化模型;采用模拟退火法实现了LET柔性铰链的参数优化,并对优化前后铰链的转动性能进行了分析比较。结果表明,优化后铰链的转动能力和转动精度比优化前都有了明显提高。     

直角柔性铰链的力学特性

为了深入分析精密传动用柔性铰链的机械性能,在研究常用结构形式柔性铰链力学特性的基础上,对变形敏感的直角柔性铰链的力学特性进行了分析．建立了直角柔性铰链空间力学模型,推导了空间刚度矩阵表达式．在此基础上。从柔性铰链基本结构尺寸等方面研究了影响柔性铰链刚度性能的因素,研究发现影响柔性铰链变形性能的刚度系数与柔性铰链几何尺寸参数和构成柔性铰链材料的弹性模量密切相关．研究表明,当柔性铰链的有效长度增加或材料的弹性模量降低时,其各方面的刚度系数均有不同程度的降低．研究工作对深入分析柔性铰链力学特性、优化设计压电驱动器结构,提高其综合性能具有一定的意义．     

铺层顺序对复合材料薄壁圆管轴向压溃吸能特性的影响研究

采用仿真和试验相结合的方法探讨复合材料薄壁圆管在准静态轴向压缩载荷下的失效吸能特性和吸能机理。首先,建立复合材料薄壁圆管"层合壳"有限元模型,通过显式动力学方法求解其在准静态轴向载荷下的压溃失效力学行为。仿真与试验结果在圆管轴向压溃变形过程、初始峰值载荷、平均压溃载荷及比吸能等主要吸能参数上具有很好的一致性,验证了"层合壳"复合材料圆管有限元模型和建模方法的有效性。其次,采用解析模型与仿真分析方法分别对[0/90]_3s、[0/90/0₂/90₂]_s、[0₃/90₃]_s三种不同铺层顺序的复合材料圆管的屈曲载荷与吸能特性进行了对比,进一步分析了铺层顺序对圆管失效吸能特性的影响。研究表明,0°与90°铺层交替程度对复合材料圆管的吸能特性影响较大,保证纤维失效方式在结构宏观失效中占主导地位能够提高材料失效吸收能量。     

锁定状态下一维可展桁架球铰连接刚度识别

针对某一维可展桁架的球形铰链连接,利用动力学模型修正方法识别了其连接刚度特性。将可展结构进行简化处理,使其处于展开锁定状态,单独考虑铰链刚度。对锁定后的展开单元进行精细化有限元建模,利用接触分析方法,得到球铰连接等效线性刚度初值。建立展开单元的参数化模型,并采用六向刚度弹簧单元对球铰连接进行等效线性处理。对锁定状态下的可展开结构单元进行模态测试,利用试验模态参数识别球铰的连接刚度。将识别的连接刚度值带入由三个展开单元组成的一维可展桁架,通过与试验模态数据对比验证了识别结果的准确性。研究结果表明,利用该基于动力学模型修正的空间可展开结构球铰连接刚度识别方法,能够准确识别球铰连接刚度,建立准确的动力学分析模型。     

含不确定性参数的复合材料薄壁结构吸能特性评估方法研究

由于复合材料性能分散度大、加工精度较低,为复合材料薄壁吸能结构引入了不可忽略的不确定性因素,为此,提出了一种含不确定参数的复合材料薄壁结构吸能特性的评估方法并进行了算例研究。复合材料薄壁圆管是一种典型的吸能元件,圆管的壁厚和内径是对其吸能特性有显著影响的特征几何尺寸,考虑了这两个参数的不确定性,在准静态压溃的条件下评估了薄壁圆管的引发比应力和比吸能这两个关键吸能指标。首先,利用区间分布来描述壁厚和内径的不确定性,其次应用有限元方法建立区间内不确定参数和结构吸能特性指标间的二阶响应面函数,最后对响应面函数进行区间摄动从而确定吸能特性指标的分布区间。算例研究结果显示,与比吸能相比,引发比应力受壁厚和内径不确定性的影响更大。此外,相比于内径,壁厚的不确定性对吸能特性影响更显著,因此为获得稳定的结构吸能特性应尽量提高复合材料圆管壁厚的加工精度。     

不同孔隙率CFRP层合板静态力学性能研究

为了研究孔隙率对织物碳纤维/环氧树脂复合材料层合板静态力学性能的影响规律,分别测量了孔隙率为0.33%至1.50%的CFRP层合板的弯曲强度和层间剪切强度,并进行有限元模拟.在适用于复合材料单向板的改进Hashin失效准则基础上,建立了适用于织物纤维增强复合材料静态力学强度的失效准则.通过引入复合材料基本强度参数预测不同孔隙率CFRP层合板的力学性能,结合刚度突然退化模型,采用ABAQUS软件建立了有限元模型.试验结果表明,随着孔隙率的增加,复合材料层合板的弯曲强度和层间剪切强度均呈下降趋势.有限元模型较为准确地预测了不同孔隙率织物碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的弯曲强度和层间剪切强度.     

空间薄壁截面梁非线性有限单元模型

基于Timoshenko梁理论和Vlasov薄壁杆件理论,通过设置单元内部节点并对弯曲转角和翘曲角采取独立插值的方法,建立了可考虑横向剪切变形和扭转剪切变形及其耦合作用、弯扭耦合、以及二次剪应力影响的空间薄壁梁非线性有限元模型。以更新的拉格朗日格式描述的几何非线性应变推得几何刚度矩阵。同时考虑了材料非线性,假定材料为理想塑性体,服从Von Mises屈服准则和Prandtle-Reuss增量关系,采用有限分割法,由数值积分得到空间薄壁梁的弹塑性刚度矩阵。算例表明该文所建梁单元模型具有良好的精度,适用于空间薄壁结构的有限元分析。     

三维针刺C/C-SiC复合材料预制体工艺参数优化EI北大核心CSCD

基于误差反向传播(BP)神经网络与改进的遗传算法建立三维针刺C/C-SiC复合材料预制体工艺优化的代理模型,获得针刺工艺参数与复合材料刚度性能之间的关系。利用BP网络实现复合材料刚度性能预测,BP网络的预测值与有限元计算结果吻合程度较好,模型训练误差最大为0.526%,测试数据误差最大为0.454%,BP网络预测精度高。对传统遗传算法的遗传策略和优化策略进行改进,利用两种改进的遗传算法对针刺工艺参数进行优化。优化后的工艺参数显著提高了材料的刚度性能,其中面内拉伸模量分别提高了11.07%和11.48%,面外拉伸模量分别提高了49.64%和48.13%,复合材料的综合刚度性能分别提高18.17%和18.21%。     

复合载荷作用变刚度复合材料回转壳屈曲优化

通过曲线纤维轨迹设计,变刚度复合材料回转壳将拥有比常刚度（直线纤维）回转壳更好的抗屈曲稳定性,为此,研究了复合载荷作用下曲线纤维铺层形式和几何参数对变刚度复合材料回转壳屈曲性能的影响规律。首先根据回转壳横截面圆弧变化改进曲线纤维角度线性描述方法,建立了变刚度复合材料回转壳的参数化有限元模型;其次,结合序列二次响应面方法和回转壳屈曲优化模型,搭建了复合材料回转壳曲线纤维轨迹优化的设计流程;最后,以准各向同性铺层复合材料回转壳为比较基准,对弯扭载荷作用变刚度圆柱壳和轴压、弯矩和扭矩分别作用变刚度椭圆柱壳在不同铺层方式、不同几何参数下的屈曲性能进行了优化比较。结果表明:弯扭载荷作用下,变刚度圆柱壳的屈曲性能随弯矩载荷占比增加而提高,且均好于准各向同性圆柱壳,但扭矩载荷占优时,优化常刚度圆柱壳的屈曲性能更具有优势;不同载荷作用下,具有较小截面方向比的变刚度椭圆柱壳屈曲性能要明显好于对应的准各向同性椭圆柱壳,且横截面越接近圆形,曲线纤维对椭圆柱壳屈曲性能的改善越弱。      

带有圆弧形凸槽金属薄壁圆管抗撞性优化设计

在金属薄壁圆管（原模型）上设置圆弧形凸槽诱导结构并以其为研究对象,建立以凸槽个数及其半径为设计变量, 以比吸能(SEA)最大化和最大峰值碰撞力( )最小化的多目标优化模型。在保证不影响薄壁构件吸能能力的情况下,通过对其结构的优化达到最大峰值碰撞力最小化的目的。采用有限元软件LS-DYNA得到不同几何参数模型的碰撞信息,结合径向基函数法构造近似函数,并采用理想点法求解多目标优化问题。分析了凸槽个数和半径对薄壁构件的比吸能和最大峰值碰撞力的影响,得到了理想的优化模型,为进一步研究实际吸能元件奠定基础。     

压电陶瓷驱动的精密微操作平台特性与优化

设计一种结构紧凑、具有大运动空间和响应快的微操作平台,并对其静态和动态特性进行分析和优化.利用杠杆机构和连杆机构设计一种能实现两级放大的微操作平台,结构对称地设计在同一平面,并采用导向机构实现精确的导向运动.利用功能原理,采用伪刚体方法建立反映平台的静态和动态特性封闭形式的理论模型.由理论模型与有限元分析的结果比较分析可知,两者所得的结果误差范围为6.0%~7.2%,说明所推导模型的正确性.基于理论模型分析构型参数和柔性铰链尺寸参数对放大倍数、输出刚度、应力和固有频率的影响.结果表明,结构参数变化对输出刚度与固有频率的影响是矛盾的,对放大倍数和应力的影响也相互矛盾,需要通过优化结构参数以综合平衡其性能指标.提出一种以综合平衡平台的静态和动态特性为目标,并考虑应力、放大倍数和几何尺寸为约束的优化模型.结果表明优化后的固有频率和放大倍数比优化前均提高,而输出刚度降低,说明优化后的平台性能更好.     

基于BP-GA的冲击破岩掘进机工作机构动态优化

为了改善某型冲击破岩掘进机工作机构的动态性能,利用ANSYS Workbench建立有限元模型,通过模态分析和谐响应分析,得到其第1至第6阶固有频率和模态特性,确定了影响动态性能的模态频率;经灵敏度分析,确定了影响工作机构动态性能的主要结构参数;利用BP神经网络模型,建立所选结构参数与最大动应力、弯曲动刚度和钎杆顶端动位移间的映射关系,运用遗传算法对结构参数进行动态性能优化.结果表明,优化后工作机构的最大动位移和最大动应力分别减小27.5%和43.07%,固有频率提高24.7%,明显改善了工作机构的动态性能.     

考虑横向曲率的超弹性铰链纯弯曲非线性力学建模与实验

超弹性铰链依靠自身大挠度弹性折叠存储的弹性势能实现弹性展开,在卫星天线、太阳翼和空间探测任务中具有重要应用价值。基于Calladine壳体理论和冯卡门薄板大挠度理论,提出了纯弯曲状态下各项同性材料超弹性铰链的总应变能解析模型。该模型综合纵向拉伸、纵向弯曲和横向弯曲曲率的影响,并利用最小势能原理推导出非线性弯曲力矩;通过数值研究分析几何参数对峰值力矩的影响,搭建试验平台验证解析模型的准确性;加工12种不同曲率半径、厚度和中心角的镍钛合金超弹性铰链样件;通过试验测量出每个样件在同向和反向弯曲准静态折叠时的峰值力矩,验证了理论模型的准确性。该研究可以用来分析和测试其它类似薄壁超弹性铰链在纯弯曲状态下的峰值力矩,对于设计超弹性铰链具有重大意义。     

基于有限元法的柔性铰链力学模型和性能分析

为了精确描述柔性铰链力学性能,提出一种通用的基于有限元法的力学模型,并基于该模型分析其静态和动态性能．柔性铰链采用欧拉-伯努利梁模拟其力学行为,将其划分为3个三自由度的结点、2个变截面单元．采用最小势能原理建立与柔性铰链结构参数相关的封闭形式刚度矩阵,采用拉格郎日方程建立铰链的质量矩阵和动力学方程．为了验证所推导的力学模型的精确性,与 ANSYS分析结果进行比较分析,两者的结果差值在1.1％～5.6％范围之内,说明理论模型与ANSYS分析结果吻合,所建立的模型能精确反映其静态和动态性能．基于柔性铰链有限元模型,可精确分析铰链参数与其精度和固有频率的关系、应力分布和频率响应,为正圆型柔性铰链应用于柔顺机构设计提供了一种精确的力学模型．     

双层超弹性铰链展开冲击分析与优化

超弹性铰链依靠自身大挠度弹性折叠存储的弹性势能实现弹性展开,集驱动、旋转和锁定于一体。研究了双层超弹性铰链展开冲击性能,提出了降低双层超弹性铰链展开冲击优化方法。为了确保有限元模型的准确性,搭建实验平台对双层超弹性铰链进行动力学展开性能测试,基于实验结果对有限元模型进行修正。采用正交法试验设计建立展开冲击特性代理模型。以展开冲击角度和锁定时间最小为目标函数,采用改进的非支配遗传算法对双层超弹性铰链进行参数化优化设计,得到最优结构尺寸。对最优结构尺寸进行有限元展开分析,误差不大于5.008%,表明代理模型准确性。最优非等厚度与等厚度双层超弹性铰链对比,发现前者冲击角度和锁定时间分别降低52.154%和29.104 %,优化后结构的冲击得到明显改善。通过参数研究发现,展开冲击对外侧带簧厚度较为敏感,锁定时间随带簧厚度增加表现出先减少后增大的趋势。     

考虑横向曲率的超弹性铰链纯弯曲非线性力学建模与实验EI北大核心CSCD

超弹性铰链依靠自身大挠度弹性折叠存储的弹性势能实现弹性展开,在卫星天线、太阳翼和空间探测任务中具有重要应用价值。基于Calladine壳体理论和冯卡门薄板大挠度理论,提出了纯弯曲状态下各项同性材料超弹性铰链的总应变能解析模型。该模型综合纵向拉伸、纵向弯曲和横向弯曲曲率的影响,并利用最小势能原理推导出非线性弯曲力矩;通过数值研究分析几何参数对峰值力矩的影响,搭建试验平台验证解析模型的准确性;加工12种不同曲率半径、厚度和中心角的镍钛合金超弹性铰链样件;通过试验测量出每个样件在同向和反向弯曲准静态折叠时的峰值力矩,验证了理论模型的准确性。该研究可以用来分析和测试其它类似薄壁超弹性铰链在纯弯曲状态下的峰值力矩,对于设计超弹性铰链具有重大意义。     

抗压内LET柔性铰链的建模及分析

针对内LET(Lamina emergent torsion)柔性铰链存在轴向刚度低这一问题,基于倒置原则提出了一种抗压内LET柔性铰链.首先,综合考虑各柔顺片段的变形特点,设计了抗压内LET柔性铰链的结构;其次,利用等效弹簧刚度模型推导了该铰链的弯曲等效刚度及抗压等效刚度,并用有限元分析实例验证了2种理论计算模型的正确性;最后,将内LET柔性铰链和抗压内LET柔性铰链弯曲变形及压缩变形的有限元仿真结果进行比较.结果表明,在外形尺寸一致的情况下抗压内LET柔性铰链的弯曲刚度是内LET柔性铰链的1.195倍,而抗压刚度却是其24.532~28.141倍.在弯曲刚度无明显变化的前提下,抗压内LET柔性铰链的抗压刚度大幅提升,该铰链的结构设计完全符合预期要求.